TW201927254A - 手術器具定位系統及其定位方法 - Google Patents

Abstract

本發明揭示一種手術器具定位系統及其定位方法，係將術前拍攝的醫療影像(例如CT)所呈現的人體自然特徵資訊數據先輸入本發明之定位系統，並進行3D資料重建，再將經光感應元件所得手持器具的位置資訊回傳至定位系統。接著，可經由定位系統自動建議特徵點或自動指定特徵點或由操作者手工點選特徵點，以建立病患位置與手持器具的座標關係，解決習知技術對於醫生在手術過程中所產生的影響問題。

Description

手術器具定位系統及其定位方法

本發明係為一種用於在手術中，針對手術器具進行定位的系統與定位方法。

在進行精密的外科手術時，因下刀或穿刺的位置是達成成功手術的重要因素之一，因此通常進行此類手術時是透過影像導引確認手術穿刺針的位置，藉此避免手術過程因些許距離位置差異而造成的失誤與帶來手術成效的影響。此類手術常見的應用包括：椎弓螺釘置入手術、活體取樣手術、脊椎神經阻斷術或植牙等。

其中一種習知的手術技術，施術者為能掌握器具位置，需重覆照射X光影像，來導引穿刺針前進方向，以確認穿刺針最後的位置。透過精準的穿刺針放置，用以可提供後續手術器械的導引路徑，而達到精確無誤的治療。然而，前述之侵入性手術，亦可利用外部的引導系統(或稱導航系統)來記錄或告知施術者目前手術器具所抵達的位置。

其中一種導引方式即是在手術器具上貼上反光元件，在手術進行前，先於引導系統中對該手術器具進行位置註冊，以確認反光元件與手術器具間的相對位置關係，而在手術進行時，被施行手術的部位(人體上)也會設置數個反光元件，以供引導系統進行分析手術器具與施行手術部位的相對位置關係。

然而，在施術部位上設置反光元件的作法，很容易形成施術者於施術過程中的障礙阻撓，例如：影響器具的移動路徑。有鑑於此，當知在現有技術當中，如何解決目前外科手術引導系統上的不便及困難，即是本發明所欲解決之問題之所在，針對上述之問題，本發明提出一種手術器具定位系統及其定位方法，藉以解決前述之缺失。

本發明主要透過指定身體某個位置為特徵點，取代習知技術之方式(對應部位設置反光元件)。藉此，可克服習知技術之問題。本發明之主要目的在於提供一種手術器具定位系統及其定位方法，本發明之方法係依據分析被施行手術部位或是其周圍的表面影像資料，由施術者自行指定或由系統建議或由系統選定至少三位置，並對應設定與記錄為第一座標資料與第二座標資料，以將第一座標資料分別建立成定位系統中的第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點，再將第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點可設定成絕對位置。該電子計算機所搭載之一手術器具顯示軟體，即可藉由該光感應元件回傳之數據與前述之第一座標資料、第二座標資料與第三座標資料計算出該光感應元件之即時影像位置資料之相對位置並再據以呈像於螢幕。透過本發明將無需於被施行手術部位或是其周圍再設置數個反光元件，克服施術者在施行手術過程中所產生的施術障礙。

為了達成前述之目的，本發明在此揭示一種手術器具定位系統，於進行手術時，可用以確認一手持器具之前端相對於一人體內施行手術部位之位置，該手術器具定位系統包括一光感應元件、一影像擷取裝置、 一電子計算機與一顯示裝置。光感應元件設置於該手持器具上。影像擷取裝置用以連續擷取該手術部位之表面影像資料及該光感應元件之即時影像位置資料。電子計算機電訊連接該影像擷取裝置，可接收該表面影像資料及該光感應元件之即時影像位置資料，該電子計算機根據該光感應元件位置計算出該手持器具相對人體以及影像資料位置的位置。該電子計算機再搭載執行一手術器具顯示軟體，以分析該表面影像資料後，尋找合適之至少三位置，並對應設定並記錄為一第一座標資料、一第二座標資料與第三座標資料，所述之分析尋找合適的位置，其亦可由使用者直接指定或是於分析後向使用者提出建議，並將該第一座標資料、該第二座標資料與第三座標資料分別建立成一第一特徵點、一第二特徵點與第三特徵點。顯示裝置電性連接該電子計算機，以顯示出該第一特徵點、該第二特徵點與第三特徵點及該手持器具的即時模擬影像。

前述之手術器具定位系統中，該第一座標資料、該第二座標資料與第三座標資料係設為絕對位置，而該光感應元件之即時影像位置資料係為該第一座標資料、該第二座標資料與第三座標資料之相對位置。

而該第一座標資料、該第二座標資料與第三座標資料輸入的其中一種方式係藉由一輸入裝置，該輸入裝置為電性連接該電子計算機，使用者可配合顯示裝置所呈現的內容，操控輸入裝置進行點選第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點進而輸入本手術器具定位系統。亦可透過手術器具直接點選特徵點或是自動掃描(線對線或面對面)的方式進行，達到完成定位之目的，該手術器具顯示軟體可藉由該影像擷取裝置確認該光感應元件是否到達對應的位置上。

為了精確地計算出本系統所需的定位資訊，該第一特徵點、該第二特徵點與第三特徵點可為人體特徵，所述人體特徵包括眼角、鼻尖、牙齒間隙、牙齒線條趨勢或牙窩等具有可部份辨識之影像。

本發明在此揭示一種手術器具定位方法，於進行外科手術時，確認該手持器具之前端相對於人體內被施行手術部位之位置，手術器具定位方法包含有下列步驟：(A)提供一光感應元件，設置於該手持器具上；(B)提供一影像擷取裝置，以連續地或間歇地擷取該人體之一表面影像資料及該光感應元件之即時影像位置資料；(C)根據該表面影像資料及該光感應元件位置計算出該手持器具相對人體以及影像資料位置的位置；(D)提供一手術器具顯示軟體，以分析該表面影像資料之至少三位置，並對應設定並記錄為一第一座標資料、一第二座標資料與一第三座標資料，並將該第一座標資料、該第二座標資料與第三座標資料分別建立成一第一特徵點、一第二特徵點與第三特徵點；以及(E)提供一顯示裝置，以顯示出該第一特徵點、該第二特徵點與第三特徵點及該手持器具的即時位置或是模擬影像。

前述之手術器具定位方法中，於步驟(E)之後更包括下列步驟：藉由一輸入裝置點選該第一特徵點、該第二特徵點與第三特徵點，由該顯示裝置所顯示之該手術器具顯示軟體顯示該影像擷取裝置確認該光感應元件是否到達該第一特徵點、該第二特徵點或第三特徵點之位置上。

而前述之手術器具顯示軟體中之演算方法流程如下：(a)載入醫學影像；(b)醫學影像處理；(c)3D資料重建；(d)判斷特徵資料；(e)取得實際空間特徵資料；(f)取得初對位矩陣 或(f-1)特徵點對應演算法，以取得影像與實際空間轉換矩陣；(g)取得實際空間中表面資料；(h)表面對應演算 法，以取得影像與實際空間轉換矩陣。

其中該演算方法步驟(d)的判斷方式可為自動判斷或手動判斷；而該演算方法步驟(d)的判斷特徵資料為點、面或部位。

其中該演算方法步驟(g)取得實際空間中表面資料係利用接觸方式或非接觸方式。

而當該演算方法步驟(d)的判斷方式可為自動判斷時，該自動判斷特徵資料之流程如下：(d-1)載入醫學影像；(d-2)影像濾波、去雜訊、強化；(d-3)直方圖分析、影像頻率分析；(d-4)資料分群與條件設定；(d-5-1)根據不同閥值、範圍、頻率區域成長；(d-5-2)根據解剖構造區域成長或分割；(d-6)梯度與散度計算；(d-7)特徵部位判斷；(d-8)輸出特徵部位座標、形狀、類型。

經由上述之說明可知，藉由本發明的手術器具定位系統及其定位方法，即可實現本發明人人所欲達成之目標，藉由病患本人的生物特徵作為絕對定位位置，僅配合手持器具上的光感應元件，而不需在被施行手術部位上再設置數個反光元件，藉以解決施術者在施行手術過程中所產生的施術障礙。

10‧‧‧手術器具定位系統

12‧‧‧手持器具

14‧‧‧光感應元件

16‧‧‧影像擷取裝置

18‧‧‧電子計算機

20‧‧‧顯示裝置

22‧‧‧輸入裝置

第1圖係為本發明之手術器具定位系統示意圖。

第2圖係為本發明之手術器具定位方法流程圖。

第3圖係為本發明之手術器具定位方法另一流程圖。

第4圖係為本發明之手術器具定位方法之特徵資訊註冊方式。

第5圖係為本發明之手術器具定位方法自動判斷特徵資料之流程圖。

本發明係一種有關手術之手術器具定位系統及其定位方法。以下將配合圖式，對本發明所提出的手術器具定位系統及其定位方法實施態樣做進一步的說明。

首先，請參閱第1圖，係說明本發明之手術器具定位系統示意圖。如圖所示，本發明之一種手術器具定位系統10，於進行外科手術時，確認手持器具12之前端相對於人體內欲施行手術部位之位置，其中，手術器具定位系統10包含有一光感應元件14、一影像擷取裝置16、一電子計算機18、與一顯示裝置20。

如前所述，本發明之光感應元件14係設置於手持器具12上，影像擷取裝置16用以連續地或間歇地擷取人體之部份表面影像資料及光感應元件14之即時影像位置資料。電子計算機18電性連接影像擷取裝置16，用以接收表面影像資料及光感應元件14之即時影像位置資料。

接著，電子計算機18根據光感應元件14位置計算出手持器具12的位置。電子計算機18搭載執行一手術器具顯示軟體，可以分析表面影像資料，並對應設定與記錄其中三位置為為第一座標資料、第二座標資料與第三座標資料，並將第一座標資料、第二座標資料與第三座標資料分別建立成第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點，顯示裝置20電性連接電子計算機18，以顯示出第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點及手持器具12的即時位置或是3D模擬環境。

如前所述之手術器具定位系統10，其中第一座標資料、第二座標資料與第三座標資料係為絕對位置，且光感應元件14之即時影像位置 資料係為第一座標資料、第二座標資料與第三座標資料之相對位置。

此外，本發明亦可由電子計算機18電訊連接一輸入裝置22，輸入裝置22可藉由顯示裝置20所顯示模擬影像，於系統中先進行點選第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點並確認設定，以供系統記錄特徵點相對位置的關係，且手術器具顯示軟體可藉由影像擷取裝置16確認搭載光感應元件14之手術器具是否到達第一特徵點、第二特徵點或第三特徵點之位置上。

再者，本發明所揭示之手術器具定位系統10，其中手持器具12係為手術探針，電子計算機18可為電腦、攜帶型電腦或是平板電腦，顯示裝置20可為螢幕，光感應元件14可為反光元件或是主動發光元件，輸入裝置22係為滑鼠或觸控板。此外，第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點可為人體特徵，所述人體特徵包括眼角、鼻尖、牙齒間隙或牙窩。第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點係亦可依據人體骨頭構造建立，人體骨頭構造可為單一牙齒之形狀、牙齒線條趨勢或牙窩位置。

據上所述，依據本發明所揭示之技術內容，其手術器具定位系統10在特徵點選取的功能導入之下，若實施在植牙手術時，可以使患者在拍攝斷層掃描時不需戴咬合板，即可進行光學註冊。

施術者可根據經驗與喜好進行特徵點點取，選取顯而易見的人體特徵點，如眼角、鼻尖、牙齒間隙、牙窩或是牙齒表面之尖端等，且系統可以記錄醫師點選特徵點順序，點選時的軟體視角，在手術用手術器具去點選實際位置時，手術器具顯示軟體可協助指引施術者其要點選的位置。當然，亦可使用自動掃描(線對線或面對面)的方式進行，以完成點選的 作業。

針對區域的不同，可搭配進行不同的特徵分析，如牙齒，根據其形狀、線條趨勢等，判定其牙窩位置或是具有明顯之點、線或面特徵處；或判定其相鄰間隔關係，再進一步根據其邊界特徵，找尋其牙縫特徵。其中，亦可於分析表面影像資料後，由軟體運算尋找最適合擔任為特徵點的位置，並據以呈現於標示於顯示裝置上，供施術者參考。亦可，透過紅外線製造光點於待治療部位的周圍，且該光點保持照射鄰近於治療部位的位置，亦可達到作為特徵點之目的。

依據上述系統實施例之技術展現，本發明在此亦可再列舉一方法實施例，參閱第2圖，係說明本發明之手術器具定位方法流程圖，如圖所示，本發明之一種手術器具定位方法，於進行外科手術時，可確認手持器具之前端相對於人體內之位置，手術器具定位方法包含有下列步驟，如步驟(A)所示，提供一光感應元件，設置於手持器具上，如步驟(B)所示，提供影像擷取裝置，以連續擷取人體之表面影像資料及光感應元件之即時影像位置資料。如步驟(C)所示，根據表面影像資料及光感應元件位置計算出手持器具的位置。

然後，如步驟(D)所示之提供手術器具顯示軟體，經該軟體以分析表面影像資料之至少三位置，並對應設定與記錄為第一座標資料、第二座標資料與第三座標資料，並將第一座標資料、第二座標資料與第三座標資料分別建立成第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點，最後，如步驟(E)所示，提供顯示裝置，以顯示出第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點及手持器具的即時位置。

如前所述之手術器具定位方法，其中第一座標資料、第二座標資料與第三座標資料係為絕對位置，且光感應元件之即時影像位置資料係為第一座標資料、第二座標資料與第三座標資料之相對位置。

接著，參閱第3圖，係說明本發明之手術器具定位方法另一流程圖，如圖所示，本發明所揭示之手術器具定位方法，其中於步驟(E)之後，尚包含有下列步驟，如步驟(F)所示，提供輸入裝置，以藉由顯示裝置所顯示之手術器具顯示軟體，來點選第一特徵點、第二特徵點或第三特徵點或是自動掃描(線對線或面對面)的方式進行點選，最後，如步驟(G)所示，手術器具顯示軟體可藉由影像擷取裝置確認光感應元件是否到達第一特徵點、第二特徵點或第三特徵點之位置上。

接著，參閱第4圖，係說明本發明之手術器具定位方法中人體物理特徵資訊的註冊方式，其於該手術器具顯示軟體中之演算方法流程如下：(a)載入醫學影像；(b)醫學影像處理；(c)3D資料重建；(d)判斷特徵資料；(e)取得實際空間特徵資料；(f)取得初對位矩陣 或(f-1)特徵點對應演算法，以取得影像與實際空間轉換矩陣；(g)取得實際空間中表面資料；(h)表面對應演算法，以取得影像與實際空間轉換矩陣。

接著，參閱第5圖，係說明本發明之手術器具定位方法中，自動判斷特徵資料之流程圖，該流程如下：(d-1)載入醫學影像，例如是CT；(d-2)影像濾波、去雜訊、強化，以凸顯出特定的線條或是點或是面；(d-3)直方圖分析、影像頻率分析，用以確認該些點、線、面的特徵；(d-4)資料分群與條件設定，將近似結果的特徵分組；(d-5-1)根據不同閥值、範圍、頻率區域成長；(d-5-2)根據解剖構造區域成長或分割；(d-6)梯度與散度計算； (d-7)特徵部位判斷；(d-8)輸出特徵部位座標、形狀、類型。

進一步，如前所述之手術器具定位方法，其中手持器具係為手術探針，顯示裝置係為螢幕，光感應元件係為反光元件，輸入裝置係為滑鼠或觸控板。其中第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點可為人體特徵，所述人體特徵包括眼角、鼻尖、牙齒間隙或牙窩。且第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點係依據人體骨頭構造建立，人體骨頭構造可為單一牙齒之形狀、牙齒線條趨勢或牙窩位置。

綜上所述，本發明所揭示之手術器具定位系統及定位方法，其係依據分析表面影像資料之至少三位置，並對應設定並記錄為第一座標資料、第二座標資料與第三座標資料，以將各座標資料分別建立成第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點，因此可將第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點設定成絕對位置，在電子計算機搭載有手術器具顯示軟體時，即可計算出光感應元件之即時影像位置資料之相對位置，如此一來，施術者便不用在施術的部位設置數個反光元件，將得以避免施術者在施術過程中所產生的施術障礙。以植牙手術舉例來說，患者的頭部可能需要左右翻轉，在第一特徵點、第二特徵點與第三特徵點設定成絕對位置的情況下，在電子計算機都可計算出光感應元件之即時影像位置資料之相對位置，施術者可以任意移動患者的施術部位，更加彰顯本發明之功效。

雖然，本發明前述之實施方式及實施例揭露如上，然其並非用以限訂本發明。在不脫離本發明之精神和範圍內所為之更動與潤飾，均屬於本發明專利範圍之主張。關於本發明所界定之專利範圍請參考所附之請求項。

Claims (14)

1. 一種手術器具定位系統，於進行一外科手術時，可確認一手持器具之前端相對於一人體內之位置，該手術器具定位系統包括：一光感應元件，設置於該手持器具上；一影像擷取裝置，以連續地或間歇性地擷取該人體之一表面影像資料，及該光感應元件之即時影像位置資料；一電子計算機，電性連接該影像擷取裝置，可接收該表面影像資料及該光感應元件之即時影像位置資料，該電子計算機根據該光感應元件位置計算出該手持器具相對人體以及影像資料位置的位置，且該電子計算機搭載執行一手術器具顯示軟體，用以分析該表面影像資料之至少三位置，並對應設定並記錄為一第一座標資料、一第二座標資料與一第三座標資料，並將該第一座標資料與該第二座標資料與一第三座標資料分別建立成一第一特徵點、一第二特徵點與一第三特徵點；以及一顯示裝置，電性連接該電子計算機，以顯示出該第一特徵點、該第二特徵點、第三特徵點及該手持器具的即時位置或是顯示模擬該手持器具與其周圍立體影像。
2. 如申請專利範圍第1項所述之手術器具定位系統，其中該第一座標資料、該第二座標資料與該第三座標資料係為絕對位置，且該光感應元件之即時影像位置資料係為該第一座標資料、該第二座標資料與該第三座標資料之相對位置。
3. 如申請專利範圍第2項所述之手術器具定位系統，更包括：一輸入裝置，電性連接該電子計算機，該輸入裝置可藉由該顯示裝置所顯示之該手術器具顯示軟體，以點選該第一特徵點或該第二特徵點或該第三特徵點，且該手術器具顯示軟體可藉由該影像擷取裝置確認該光感應元件所結合之手持器具是否到達該第一特徵點或該第二特徵點或該第三特徵點之位置上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之手術器具定位系統，其中該第一特徵點、該第二特徵點與或該第三特徵點可為人體特徵、眼角、鼻尖、牙齒間隙、牙齒線條趨勢或牙窩。
5. 如申請專利範圍第3項所述之手術器具定位系統，其中該光感應元件係為一反光元件或是一可主動發光元件。
6. 一種手術器具定位方法，於進行一外科手術時，可確認一手持器具之前端相對於一人體內之位置，該手術器具定位方法包括下列步驟：(A)提供一光感應元件，用以設置於該手持器具上；(B)提供一影像擷取裝置，以連續擷取該人體之一表面影像資料及該光感應元件之即時影像位置資料；(C)根據該表面影像資料及該光感應元件位置計算出該手持器具相對人體以及影像資料位置的位置；(D)提供一手術器具顯示軟體，以分析該表面影像資料之至少三位置，並對應設定並記錄為一第一座標資料、一第二座標資料與一第三座標資料，並將該第一座標資料、該第二座標資料與一第三座標資料分別建立成一第一特徵點、一第二特徵點及一第三特徵點；以及 (E)提供一顯示裝置，以顯示出該第一特徵點、該第二特徵點、該第三特徵點及該手持器具的即時位置或是3D模擬影像。
7. 如申請專利範圍第6項所述之手術器具定位方法，其中該第一座標資料與該第二座標資料與該第三座標資料係為絕對位置，且該光感應元件之即時影像位置資料係為該第一座標資料與該第二座標資料與該第三座標資料之相對位置。
8. 如申請專利範圍第7項所述之手術器具定位方法，其中於步驟(E)之後更包括下列步驟：提供一輸入裝置，用以點選該第一特徵點或該第二特徵點或該第三特徵點，且該手術器具顯示軟體可藉由該影像擷取裝置確認該光感應元件所結合之手持器具是否到達該第一特徵點或該第二特徵點或該第三特徵點之位置上。
9. 如申請專利範圍第8項所述之手術器具定位方法，其中該第一特徵點、該第二特徵點與該第三特徵點可為人體特徵、眼角、鼻尖、牙齒間隙、牙齒線條趨勢或牙窩。
10. 如申請專利範圍第6項所述之手術器具定位方法，其中該手術器具顯示軟體中之演算方法流程如下：(a)載入醫學影像；(b)醫學影像處理；(c)3D資料重建；(d)判斷特徵資料；(e)取得實際空間特徵資料；(f)取得初對位矩陣 或(f-1)特徵點對應演算法，以取得影像與實際空間 轉換矩陣；(g)取得實際空間中表面資料；(h)表面對應演算法，以取得影像與實際空間轉換矩陣。
11. 如申請專利範圍第10項所述之手術器具定位方法，其中該演算方法步驟(d)的判斷方式為自動判斷或手動判斷。
12. 如申請專利範圍第10項所述之手術器具定位方法，其中該演算方法步驟(d)的判斷特徵資料為點、面或部位。
13. 如申請專利範圍第10項所述之手術器具定位方法，其中該演算方法步驟(g)取得實際空間中表面資料係利用接觸方式或非接觸方式。
14. 如申請專利範圍第11項所述之手術器具定位方法，其中該自動判斷特徵資料之流程如下：(d-1)載入醫學影像；(d-2)影像濾波、去雜訊、強化；(d-3)直方圖分析、影像頻率分析；(d-4)資料分群與條件設定；(d-5-1)根據不同閥值、範圍、頻率區域成長；(d-5-2)根據解剖構造區域成長或分割；(d-6)梯度與散度計算；(d-7)特徵部位判斷；(d-8)輸出特徵部位座標、形狀、類型。